行星結(jié)構(gòu)如何形成和演化的？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)系外行星“半徑谷”形成機(jī)制

近期，一支國(guó)際聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用我國(guó)郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)并結(jié)合國(guó)際上的蓋亞(Gaia)和開(kāi)普勒(Kepler)空間望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)，得到了行星半徑分布隨宿主恒星年齡和金屬豐度的演化規(guī)律。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《天文學(xué)雜志》。

據(jù)悉，20世紀(jì)90年代至今，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的系外行星已超過(guò)5000顆。但迄今為止發(fā)現(xiàn)的最豐富的行星類(lèi)型既不是氣態(tài)巨行星也不是巖石行星，而是太陽(yáng)系中沒(méi)有的，大小介于地球和海王星之間的行星。

其中，比地球略大(約1～2倍地球半徑)的稱(chēng)為“超級(jí)地球”，比海王星略小(約2～4倍地球半徑)的稱(chēng)為“亞海王星”。這些行星的結(jié)構(gòu)是怎樣的呢?它們又是如何形成和演化的呢?

隨著系外行星大量被發(fā)現(xiàn)，科研人員對(duì)其大樣本的統(tǒng)計(jì)表明，行星出現(xiàn)率在行星大小為兩個(gè)地球半徑附近存在一個(gè)低谷，稱(chēng)為“行星半徑谷”。這一發(fā)現(xiàn)為揭示行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了關(guān)鍵的新線(xiàn)索和方向。

已有的研究認(rèn)為，半徑谷左側(cè)的超級(jí)地球是放大版的地球，在更大的石質(zhì)內(nèi)核外包裹著稀薄大氣，但右側(cè)亞海王星的結(jié)構(gòu)尚不清楚。

關(guān)于這個(gè)行星半徑谷的形成機(jī)制，目前研究提出的理論模型一般可分為兩類(lèi)：演化模型和原初形成模型。

演化模型認(rèn)為，亞海王星由石質(zhì)內(nèi)核和厚厚的氣體包層組成。在外部恒星的輻射(稱(chēng)為光致蒸發(fā))或者行星內(nèi)核儲(chǔ)存的熱量(稱(chēng)為行星核熱)的作用下，部分亞海王星的大氣包層被剝離，僅留下了石質(zhì)內(nèi)核，也就是超級(jí)地球。

原初演化模型認(rèn)為，半徑谷是行星形成的自然結(jié)果，如一些研究認(rèn)為其兩側(cè)分別對(duì)應(yīng)著成分不同的兩類(lèi)行星：致密石質(zhì)超級(jí)地球和富水/冰的亞海王星(如表面被數(shù)百到數(shù)千公里的海洋覆蓋的“海洋行星”)。

國(guó)際聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)采用估計(jì)年齡的運(yùn)動(dòng)學(xué)方法，即借助LAMOST和Gaia的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)Kepler行星系統(tǒng)的宿主恒星的運(yùn)動(dòng)速度做精確刻畫(huà)，并以此估計(jì)年齡，研究了系外行星“半徑谷”隨宿主恒星年齡和金屬豐度的演化規(guī)律。

他們發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增大，亞(類(lèi))海王星的平均半徑逐漸減小，而超級(jí)地球的平均半徑則幾乎不變。這很可能意味著亞海王星年輕的時(shí)候包含足夠厚的氣體包層，隨著年齡增大，行星逐漸冷卻，包層收縮，半徑減小。這一結(jié)果更加支持演化模型，表明(至少部分)亞海王星是氣體矮巨星。

他們還發(fā)現(xiàn)行星“半徑谷”在恒星形成早期已初步形成，并隨著年齡增大而越來(lái)越明顯。同時(shí)超級(jí)地球和亞海王星的數(shù)量比也越來(lái)越大，這也與演化理論的預(yù)期一致：部分亞海王星(氣體矮巨星)被剝離大氣，演變?yōu)槌?jí)地球。

從定量上看，行星半徑在早期通過(guò)光致蒸發(fā)效應(yīng)初步形成，后期在行星核熱的作用下進(jìn)一步加強(qiáng)。此外，研究發(fā)現(xiàn)亞海王星更傾向于出現(xiàn)在富鐵和富鎂/硅/鈣的恒星周?chē)砻鹘饘僭?(鐵、鎂、硅、鈣等) 在亞海王星的形成中發(fā)揮了重要作用。

研究人員透露，這篇文章是"系外行星的空間分布和年齡演化"(英文簡(jiǎn)稱(chēng)為PAST，中文簡(jiǎn)稱(chēng)"穿越")系列的第三篇文章，更多"穿越"系列的后續(xù)工作正在進(jìn)行和準(zhǔn)備中。(作者：沈春蕾 )

標(biāo)簽： 行星結(jié)構(gòu) 系外行星 開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡 亞海王星